[发明专利]具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法，属于智能机器人范畴。

背景技术

机器人发展至今已经相当可观地影响着现代人类生活的诸多方面，人们对机器人的智能要求不断提高以便其更好地为人类服务，机器人学习是提高机器人智能化程度的一种行之有效的方法。自然界中，模仿是人或动物掌握运动技能最直接有效的学习方式。而人与动物是机器人的仿生原型，因此将模仿的机制应用于机器人是可行的。人或动物的诸多技能或行为是在其神经系统认知过程中渐进地形成和发展起来的，通过模仿人或动物，使机器人的认知和行为更加接近人或动物，从而产生自主的行为，这个过程从学习方法上称为模仿学习。

模仿学习使机器人通过观察示教者的动作就可以快速学习到有用的动作。这种在与环境的交流中学习新知识和解决问题的方法，使得模仿学习与传统的孤立的机器人学习方法相比，模仿学习有很多优势：(1)学习效率高，直接获得有效信息，规避了庞大学习空间搜索问题；(2)提升智能，使机器人在日常环境下不断提升行为能力；(3)实用性强，学习后的行为可直接作用于工作环境；(4)增强了人机交互能力，使人机关系更加友好；(5)减少了编程的复杂程度。因此，模仿学习无论在军事领域还是民事领域都具有广泛的应用前景。模仿学习不仅是行为科学和神经科学的研究重点，对于人工智能和机器学习而言也具有非常重要的研究意义。

目前，能够对示教动作进行再现的机器人以工业机器人为主，此类机器人只能基于示教经验通过对其编程，完成部分预设动作，智能程度较低，不具备模仿学习的能力。沈阳工业大学的杨俊友等人将模仿学习机制运用到机械臂上，通过采集视觉信息控制图模型完成示教动作的模仿，在模仿学习运用到实际机器人上取得一些突破。但这种机器人所用设备成本高，采集的视觉信息要通过进一步的数据处理，模仿不具备实时性，完成模仿任务耗时较长。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统及方法，通过改进的手把手示教方式直接拖拽操作机械臂，由一种动作检测装置感知示教行为动作信息后完成对示教动作的模仿学习，使机械臂系统不仅可以模仿再现示教动作，还能够通过学习获知示教行为的目的，具有较高智能程度。同时减小了传统手把手示教方式 的劳动强度，降低了传感器成本，克服了采用摄像技术采集示教行为带来的图像处理繁琐的问题，提高了机械臂系统的学习效率。

本发明提出的机械臂系统，是一种具有模仿学习机制的机械臂系统，主要包括执行模块、感知模块和学习模块。系统执行模块包括六自由度机械臂及手爪；感知模块包括动作检测装置和目标物体检测装置；学习模块作为控制系统的大脑，完成传感器数据处理、舵机控制器的控制以及实现模仿学习算法等功能。本发明以机械臂手爪夹取桌面上物体的动作为例，使机械臂模仿学习该行为，以验证系统及方法的可行性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

具有模仿学习机制的手把手示教机械臂系统，该系统中，DSP控制器(2)、7.4v锂电池(5)、电压转化器(6)、长U型连杆一(7)固定安装在机械臂系统底盘(1)上；51单片机最小系统(3)、舵机控制器(4)分别与DSP控制器(2)连接；所述电压转化器(6)与7.4v锂电池(5)连接，7.4v锂电池(5)与DSP控制器(2)连接；长U型连杆一(7)的侧面安装有长U型连杆二(8)；长U型连杆二(8)的一端安装有超声波传感器(18)；

两个长U型连杆的底部连接组成H型连杆(9)；H型连杆(9)一端与长U型连杆二(8)的侧面连接；长U型连杆三(10)一端与H型连杆(9)另一端连接；机械臂手爪(11)与长U型连杆三(10)的另一端连接；

MG996R舵机一(12)安装在长U型连杆二(8)与长U型连杆一(7)的连接处； 

MG996R舵机二(13)安装在H型连杆(9)与长U型连杆二(8)的侧面连接处；

MG996R舵机三(14)安装在H型连杆(9)与长U型连杆三(10)的一端连接处；

MG996R舵机四(15)安装在长U型连杆三(10)的另一端部处；

MG996R舵机五(16)安装在机械臂手爪(11)的端部；

MG996R舵机六(17)安装在机械臂手爪(11)的侧面；

三轴陀螺仪传感器一(19)与加速度计模块一(22)组成检测模块一，检测模块一设置在H型连杆(9)中间位置处；

三轴陀螺仪传感器二(20)与加速度计模块二(23)组成检测模块二，检测模块二设置在长U型连杆三(10)中间位置处；